Как сохранить солнечную энергию

Разведанных запасов энерготоплива при современном темпе роста потребления энергии должно хватить примерно от 70 до 130 лет. Но имеется вариант перехода на другие источники, такие как солнечная энергия. Но, даже если на Земном шаре будут открыты неисчерпаемые ресурсы энергосырья, экологической беды не получится избежать. Через 100 лет на Земле будет столько вырабатываться энергии, что может произойти экологическая катастрофа. Это приведет к таянию полярных льдов, из-за чего очень сильно увеличится уровень Мирового океана. В этом случае, странам и городам, которые находятся на побережье океана, солнечная энергия просто-напросто не понадобится, их смоет или затопит.

Именно поэтому нужно начать пользоваться солнечной энергией, которая совершенно не зависит от того, пользуется или не пользуется ею человек. Солнечная энергия нагревает атмосферу земного шара. Для того чтобы по максимуму использовалась ее, ее необходимо превратить в какой-нибудь другой вид. Сохранить световые лучи еще абсолютно ни у кого не получалось. Самым распространенным и перспективным способом преобразования света является фотоэлектрический. Фотоны свою энергию передают электронам в полупроводниках, и благодаря этому появляется электрический ток.

Как все это происходит можно подробно прочитать в учебнике по физике. Мы это коротко поясним. Запрещенные энергозоны в отдельных полупроводниках по ширине равны размеру энергии кванта света. Что такое запрещенная зона? Если говорить коротко, то это так называемый потенциальный барьер, который нужно пройти электрону при прыжке с одного на другой атом в кристаллической решетке. После того как поглотится фотон, электрон становится подвижным, а значит, возникает электрический ток. Электрический ток - это направленное движение электрозарядов.

Но вот незадача, фотоиндуцированные электроны могут двигаться в обе стороны. ЭДС различных знаков могут компенсировать друг друга. При таком раскладе тока не будет.

Если же совместить 2 полупроводника (часто пользуются кремнием), легированных различными примесями (первая, в силу несовместимых валентностей, привносит в начальное вещество нескомпенсированные электроны – это получается полупроводник типа- n, а вторая, чья валентность немного меньше, приводит к образованию дырок, носителей «+» зарядов - получается полупроводник типа -р), на границе полупроводников создается n-р-переход.

Еще совсем недавно фотоэлектроэнергия стоила весьма дорого. До 1982 г. в нашем государстве фотоэлементы производились для космических целей. В наше время появилось опытное изготовление дисковых солнечных элементов для хозяйственных целей. Солнечная энергия уменьшилась в цене в 3-4 раза. Но, при любых раскладах, 7-10 рублей за 1 Ватт - это очень дорого. В данное время идет поиск способов, при которых бы солнечная энергия стоила немного дешевле и была доступна для всеобщего пользования. Имеется одна интересная разработка нашего ученого А. Степанова. Он выдвинул неплохое суждение не выращивать высококачественный кремний в виде больших слитков, которые потом нужно пилить на круглые пластинки, а те, потом тщательно полировать, при этом затрачивая большое количество энергии и впустую расходуя материал. Он предложил вытягивать его весьма тоненькими ленточками из расплава. При этом варианте уменьшается стоимость фотоэлементов и возрастает эффект от солнечных батарей, так как можно ленты смыкать очень плотно, а между дисковыми элементами остается неиспользованная пространство.

Солнечная энергия - это камень преткновения для всех ученых, так как КПД кремниевых элементов очень маленький. Так как лишь маленькая часть этой энергии в полупроводниках поглощается электронами, большая часть падающего излучения идет для нагрева фотоэлемента (это снижает его фотоэлектрические характеристики), часть их отражается, а какая-то пробивает его насквозь.

Напомним, в полупроводнике запрещенная зона очень узкая, а соответственно и небольшое «энергетическое меню» электронов. Также, большие потери энергии связаны с рекомбинацией дырок и электронов.

В итоге коэффициент полезного действия солнечных элементов не будет превышать 10%. Но уже имеются опытные образцы, которые были получены в лабораториях А. Зайцевой, М. Кагана, КПД которых равняются 15-17%. И это еще не максимальный предел. Экспертами было рассчитано, что предел КПД солнечных элементов с n-р-переходом может достигать 27-30%.

В особенности перспективными являются полупроводниковые преобразователи с гетеро-переходами. Они сделаны из 2-х разных по химсоставу полупроводников. Именно поэтому они отличаются шириной запрещенных зон. В так называемой области n-р-перехода появляется, за счет сглаживания потенциальных барьеров, добавочная фото ЭДС. Ученые, работающие под наставлением академика Ж. Алферова, получили на фотодиодах с гетеропереходом «арсенид галлия - арсенид алюминия», КПД примерно равно 20%.

Примечательно, что нагреваясь, данные фотодиоды не теряют фотоэлектрические свойства. Они хорошо работают, даже если уплотнить поток солнечной энергии в 1600 раз.

Оказалось, что появилась возможность сделать фотопреобразующее устройство, которое будет утилизировать весь свет, падающий на него. Он обладает варизонной структурой, другими словами запрещенная зона у него переменной ширины. Добиться этого можно путем введения в различные зоны полупроводника разные примеси. В этом случае добавочная фото-ЭДС генерируется в целой пространственной зоне, для различных точек которой - различные запрещенные зоны. В такой зоне для абсолютно любого кванта отыщется укромное местечко, где он без помех поглотится электроном.

Теория вариозиных структур в России разрабатывается группой ученых, и благодаря этому, фотопреобразователи будут иметь коэффициент полезного действия 90%.

Также, в наше время высоких технологий идет поиск новых и более дешевых материалов, из которых буду производиться фотоэлементы. Очень перспективны, по мнению многих ученых, полупроводниковые соединения серы, кадмия, меди. Преобразователи, которые получаются на их основе, самые дешевые, ну вот опять же беда - КПД у них где-то 5%, и материалы не очень стабильны, под воздействием окружающей среды разрушаются. Сложная и дорогая герметизация сводит на нет ранее полученную экономию.